益生菌抗衰老作用機制研究進展

余潔 劉昕 張馳 趙吉春，2 李富華，2 明建，2

（1. 西南大學食品科學學院，重慶 400715；2. 西南大學食品貯藏與物流研究中心，重慶 400715）

衰老，是生物隨著時間的推移，機體從構成物質、組織結構到生理功能的喪失和退化過程，是復雜的自然現象。在機體正常的衰老過程中會發生許多不良的變化，如皮膚色素沉著、皮膚皺紋等，并會增加對疾病的易感性，與阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥、糖尿病、動脈粥樣硬化、骨質疏松癥、骨關節炎和多種癌癥等年齡相關疾病的發生有關［1］。

目前，許多天然產物，如多酚類化合物、多糖類化合物的抗衰老功效已經被證實，但其可能存在制備成本高、生物利用效率低等問題。益生菌作為活的微生物，當給予足夠量時，會給宿主帶來健康益處。益生菌對衰老的作用主要體現在對腸道微生物群的積極調節、免疫調節和壽命延長的作用［2］。因此，益生菌正因其來源廣泛、成本低廉、安全性較高的優勢，而成為抗衰老研究的熱點。論文結合國內外益生菌抗衰老研究現狀，從衰老相關機制、抗衰老評價模型以及作用機制等方面綜述了益生菌的抗衰老作用。

1 衰老相關機制

DNA 損傷學說、端粒學說、細胞凋亡學說是闡明衰老機制非常成熟的理論。一般而言，衰老相關機制主要集中在以下幾個方面。

1.1 炎癥性衰老

炎癥性衰老是由于氧化應激、炎性因子的過度表達［3］、DNA 損傷［4］、自噬［5］和非酶糖化［6］等多種因素的作用，引起一系列由NLRP3 和NF-κB 激活的炎癥反應，使機體處于一種慢性的、逐漸升高的促炎狀態。許多研究表明衰老與炎癥的普遍增加有關［7-8］。Kuilman 等［9］發現用活化癌蛋白BRAFE600誘導人成纖維細胞的過早衰老與炎癥細胞因子IL-6的表達水平的上調密切相關，因為IL-6 的敲除阻止了其誘導的衰老。

1.2 自由基氧化應激理論

活性氧自由基在細胞內的大量積累，會干擾細胞內活性氧物質與抗氧化劑的平衡，對細胞內大分子和細胞本身造成損傷［10］，這種由活性氧物質累積的細胞損傷引起的氧化應激在衰老過程中起重要作用，并且是產生慢性炎癥狀態的主要原因之一［11］。Garrido 等［12］通過對早衰（Prematurely aging mice，PAM）小鼠、老年小鼠比較研究發現，PAM 小鼠、老年小鼠細胞中過氧化氫酶和谷胱甘肽還原酶活性顯著低于NPAM 和WT 小鼠的相應酶的活性。而黃嘌呤氧化酶的活性和氧化型谷胱甘肽呈相反的趨勢。證明衰老細胞中的氧化劑水平明顯增多。此外，機體內抗氧化劑水平的提高對衰老具有延緩作用。

1.3 免疫衰老學說

隨著年齡的增長，適應性免疫系統和先天免疫系統的功能逐漸下降，引起機體慢性炎癥，從而加速機體衰老，這種與年齡相關的免疫機能衰退被稱為免疫衰老［13-14］。其特征包括：naive CD4+和CD8+T 細胞數量減少，T 細胞亞群失衡，T 細胞受體庫和信號減少。相應地，B 細胞的淋巴細胞生成減少，抗體生成減少［15］。

1.4 腸道菌群失調

人體胃腸道中的微生物數量（約100 萬億）約為其體內細胞數量（10 萬億）的10 倍［16］。隨著年齡的增長，在藥物、胃腸道感染、飲食等因素的作用下，病理生理功能變化造成腸道微生物群的組成發生改變［15］。腸道通透性的增加可能是這一變化所導致的結果，研究發現，果蠅腸道微生物群的改變發生于腸道屏障功能障礙之前并對其有預示作用［17］。結腸通透性的增加使細菌及其產物逃逸會引起全身性的炎癥，增加機體免疫系統的負擔，導致機體組織破壞及衰老［18］。Thevaranjan 等［19］將來自老年小鼠的微生物群落定殖到無菌幼鼠后，發現無菌幼鼠的腸道細胞通透性增加，明確指出與年齡相關的微生物群落組成的改變可導致腸道通透性增加，同時發現無菌小鼠可免受年齡相關性炎癥和巨噬細胞功能失調的影響。腸道微生物群落被認為可能是衰老的決定因素，因此，調節腸道微生物群組成也成為抗衰老研究的有效途徑。

2 益生菌抗衰老評價模型

益生菌的安全性以及抗衰老能力的評價主要依賴體內和體外兩種評價模型。體外評價主要集中在與衰老相關的抗氧化功能研究方面，比如益生菌清除自由基能力、還原力和螯合亞鐵離子能力等，以及在細胞水平上益生菌作用于離體細胞的研究［20］。本文主要對建立實驗室模型生物的體內模型進行闡述，各模型的優勢、缺陷以及評價指標如表1 所示。

借助上述四類標準的實驗室模型生物，我們已經對衰老機制的理解方面取得了重大進展，并且這些模式生物將繼續發揮重要作用。但是將其結果進行推廣時，仍存在壽命短、遺傳同質性、實驗室存活、缺乏生態環境等多個方面的限制［31］，因此在進行相關研究時需要考慮這些因素以適當的補充其他的研究。

3 益生菌抗衰老機制

目前，關于益生菌抗衰老作用的研究大多是從其抗氧化、減少炎癥、增強免疫力這3 個方面進行側面體現，沒有深入探討其中可能的分子作用途徑。本文將從益生菌調節腸道菌群以及抗衰老相關信號通路這兩個方面來闡明益生菌的抗衰老作用。

3.1 調節腸道菌群

3.1.1 腸道菌群抗衰老作用簡述 腸道菌群棲息在人體腸道內，通過對食物中的碳水化合物進行代謝，釋放各種代謝產物，對宿主的免疫功能、代謝和穩態維持產生積極作用，進而發揮抗衰老的作用。短鏈脂肪酸（Short-chain fatty acids，SCFA）是具有抗炎特性的主要代謝產物，在誘導T 細胞極化中發揮作用［32-33］。特別是作為上皮細胞的主要能量源的丁酸鹽，具有調節基因表達、增殖、分化、凋亡的作用［34］。最新的研究還發現，腸道細菌產生的H2能夠抑制羥基自由基誘導的細胞衰老模型中H2O2的增加，從而顯示出對細胞衰老的抑制作用［35］。

3.1.2 益生菌對腸道菌群的調節作用 益生菌通過在腸道中的定植而向機體引入具有健康作用的菌株，并抑制病原菌的入侵，同時調節衍生代謝物而實現其延緩衰老的作用［16，36］。用清酒乳桿菌處理可降低小鼠腸道中變形桿菌門和厚壁菌門的數量，以及變形桿菌門與擬桿菌門和厚壁菌門與擬桿菌門的比率［37］。用植物乳桿菌LC27、長雙歧桿菌LC67 治療可顯著減少乙醇誘導小鼠腸道中變形桿菌門數量，增加乙醇抑制的擬桿菌門和放線菌門數量［38］。此類結果同時表明，這些改變都能有效地減少代謝產物LPS 的產生。另外，發現長期攝入含德氏乳桿菌的發酵酸奶使小鼠腸道內擬桿菌門與厚壁菌門的比例增加的同時，丁酸鹽和丙酸鹽的產生也增加［28］。

益生菌可以調節緊密連接蛋白的表達，對保護腸道屏障完整性和功能發揮有益作用。植物乳桿菌LC27 和長雙歧桿菌LC67 處理乙醇誘導的小鼠，可以增加被抑制的緊密連接蛋白occludin 和claudin-1表達［38］。同樣地，在芽孢桿菌處理的小鼠中，緊密連接蛋白ZO-1 和occludin 的表達顯著增加［39］。該作用有利于預防微生物及其代謝產物進入血液循環而引起的全身性炎癥。另外，有研究表明，益生菌混合物IRT5 可以通過抑制腸道微生物群LPS 的產生來抑制炎癥疾病的發生［40］。SCFA 可通過G 蛋白偶聯受體或是抑制組蛋白脫乙酰基酶而發揮其強抗炎作用［41］。

表1 益生菌抗衰老評價模型

3.2 益生菌抗衰老相關信號通路

3.2.1 腺苷一磷酸激活蛋白激酶（Adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）途徑

AMPK 是一種介導壽命延長的細胞內能量傳感器［42］，其作為細胞能量穩態的主開關，通過抑制內質網應激和炎癥性疾病，以及在衰老過程中誘導自噬來減少氧化應激而發揮作用［43-44］。最近的一項研究發現，發酵乳桿菌DR9、副干酪乳桿菌OFS 0291和瑞士乳桿菌OFS 1515 的無細胞上清液顯示出很強的促進AMPK 的磷酸化活性［45］。在體外，利用清酒乳桿菌對caco-2 細胞的處理也發現了AMPK 活性增強的現象［37］。因此，許多益生菌已經證明具有提高AMPK 活性的作用。

據報道，AMPK 的激活能夠調節肌肉中的線粒體相關基因，與老年小鼠運動功能的改善相關［46］。Hor 等［45］研究發現乳酸桿菌除了在上坡運動試驗期間提高D-半乳糖大鼠模型的運動性能外，還降低了骨骼和肌肉中的衰老標記物p53 基因的表達。表明乳酸桿菌能以AMPK 依賴性方式保護骨骼和肌肉免受衰老。此外，已有研究證實肝細胞、膽管細胞的衰老是引發非酒精性肝病（NAFLD）肝纖維化的進展因素［47］，而Hitoshi 等［48］的研究顯示，對于采用膽堿缺乏、L-氨基酸補充飲食方式誘導的NAFLD大鼠，通過喂養MIYAIRI 588 丁酸梭菌菌株，表現出AMPK 的激活，從而通過調節脂質和能量代謝、胰島素敏感性以及氧化應激反應來顯著抑制NAFLD進展。因此，表明乳酸桿菌和丁酸梭菌能以AMPK依賴性方式分別延緩骨骼細胞、肌肉細胞以及肝細胞、膽管細胞的衰老。益生菌通過AMPK 通路的調節途徑如圖1 所示。

3.2.2 NF-κB 途徑 NF-κB 途徑是衰老的關鍵媒介之一，該通路的激活與引起衰老的相關因素密切相關。氧化應激過程活性氧水平的升高，使抑制蛋白Iκb 被I kappa b 激酶磷酸化，再經過泛素連接酶的泛素化而降解［49］，NF-κB 發生核轉位而增強其信號傳導［50］。炎癥也可以調節NF-κB 家族成員的激活，從而觸發組織特異性衰老相關的退行性過程［51］。并且NF-κB 信號的激活也被證實是細胞DNA 損傷的標志之一［52］。

圖1 益生菌對AMPK 信號通路的影響

通過老化組織的生物信息學分析發現，NF-κB被認為是老化過程中基因表達變化最相關的轉錄因子［53］，控制著細胞中一些細胞因子、生長因子、趨化因子和細胞黏附分子的基因表達［54］。此外，Warnier 等［55］新發現的一種對衰老有調節作用的SCN9A 鈉通道也被證實其由NF-κB 誘導表達，引起質膜去極化，從而表現出促衰老特性。

隨著年齡的增長，各種組織中的NF-κB 都會增加，通過抑制NF-κB 通路的活性對衰老的干預成為可能，益生菌就是NF-κB 的有效抑制劑之一。研究發現，植物乳桿菌C29 通過抑制NF-κB 信號傳導途徑改善老年小鼠的年齡依賴性結腸炎［56］。與Jang 等［37］在清酒乳桿菌對長期高脂飲食誘導肥胖小鼠作用的研究結果相一致。其可能是通過作用于NF-κB 的上游信號物質而抑制NF-κB 的激活。已知Toll 樣受體（Toll-like receptors，TLRs）可以介導NF-κB 通路信號傳導的激活［57］，其中，TLR4 在脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）誘導下可通過激活髓系分化因子88（MyD88）依賴性和myd88 獨立途徑，導致信號傳導產生各種炎癥性細胞因子［58］。有研究表明，用乳酸菌處理后的caco-2 細胞顯示出TLR 信號負性調節因子Tollip、SIGIRR 和IRAKM-1 的表達增加［57］。在TLR-NF-κB 信號通路中，也有研究發現鼠李糖乳桿菌LGG 可以通過降低IκB 的降解速率來抑制NF-κB 的核轉位，從而導致IL-8 表達水平下降［59］。植物乳桿菌HY115 和短乳桿菌HY7401 可以通過抑制IκB 的磷酸化來降低NF-κB 的激活，進而抑制IL-1β、TNF-α 等mRNA 的表達，降低炎癥反應［60］。

另外，在外源應激下，由巨噬細胞產生的TNF-α、IL-6 和IL-1β 可 額 外 激 活NF-κB 通 路［61］，而Wu 等［62］發現含有植物乳桿菌的發酵乳能夠抑制LPS 誘導這些因子的產生，通過熒光素酶法發現，含有植物乳桿菌的發酵乳可顯著抑制NF-κB 的轉錄活性。因此，益生菌也可以通過抑制NF-κB 的轉錄活性而減少促炎癥基因的表達。益生菌對NF-κB 信號通路的影響如圖2 所示。

但是，并不是所有的益生菌都能抑制NF-κB 通路，如Jensen 等［63］研究發現羅伊氏乳桿菌能顯著引起NF-κB 活化，這可能與不同菌株的細胞壁組分肽聚糖和脂磷壁酸、不同環境下菌株菌毛的表達［64］、表面層SLPA 蛋白［18］存在著差異性有關。這也暗示益生菌抗衰老的研究應該在株水平上進行。

圖2 益生菌對NF-κB 信號通路的影響

4 展望

目前，益生菌抗衰老以及預防年齡相關的退行性疾病的作用已經成為研究熱點，但是大多數研究都是通過益生菌的抗氧化能力、提高免疫力、減少炎癥這3 方面來側面表征抗衰老作用，因此需要進一步明確益生菌體內抗衰老作用以及相關的分子機制，深入研究益生菌對其作用的信號通路，為益生菌在緩解衰老方面的應用提供理論基礎。此外，有必要明確益生菌中發揮緩解衰老的功效成分，針對不同益生菌菌株所具備的不同作用效應，開發復合益生菌產品以增強抗衰老作用將成為未來研究的趨勢。